Các loại chất bán dẫn, ứng dụng và ví dụ



các chất bán dẫn chúng là các phần tử thực hiện chức năng của dây dẫn hoặc chất cách điện một cách chọn lọc, tùy thuộc vào các điều kiện bên ngoài mà chúng phải chịu, chẳng hạn như nhiệt độ, áp suất, bức xạ và từ trường hoặc điện trường.

Trong bảng tuần hoàn có 14 nguyên tố bán dẫn, trong đó silicon, gecmani, selen, cadmium, nhôm, gali, boron, indi và carbon. Chất bán dẫn là chất rắn kết tinh có độ dẫn điện trung bình, vì vậy chúng có thể được sử dụng theo cách kép như một chất dẫn điện và chất cách điện.

Nếu chúng được sử dụng làm dây dẫn, trong những điều kiện nhất định cho phép lưu thông dòng điện, nhưng chỉ theo một hướng. Ngoài ra, chúng không có độ dẫn cao như kim loại dẫn điện.

Chất bán dẫn được sử dụng trong các ứng dụng điện tử, đặc biệt là sản xuất các linh kiện như bóng bán dẫn, điốt và mạch tích hợp. Chúng cũng được sử dụng làm phụ kiện hoặc phụ kiện cho các cảm biến quang học, chẳng hạn như laser trạng thái rắn và một số thiết bị năng lượng cho hệ thống truyền tải điện..

Hiện tại, loại yếu tố này đang được sử dụng cho sự phát triển công nghệ trong các lĩnh vực viễn thông, hệ thống điều khiển và xử lý tín hiệu, cả trong các ứng dụng trong nước và công nghiệp.

Chỉ số

  • 1 loại
    • 1.1 Chất bán dẫn nội tại
    • 1.2 Chất bán dẫn bên ngoài
  • 2 Đặc điểm
  • 3 ứng dụng
  • 4 ví dụ
  • 5 tài liệu tham khảo

Các loại

Có nhiều loại vật liệu bán dẫn khác nhau, tùy thuộc vào tạp chất mà chúng thể hiện và phản ứng vật lý của chúng đối với các kích thích môi trường khác nhau.

Chất bán dẫn nội tại

Là những nguyên tố có cấu trúc phân tử được tạo thành từ một loại nguyên tử duy nhất. Trong số các loại chất bán dẫn nội tại này là silico và gecmani.

Cấu trúc phân tử của chất bán dẫn nội tại là tứ diện; nghĩa là, nó có liên kết cộng hóa trị giữa bốn nguyên tử xung quanh, như được trình bày trong hình dưới đây.

Mỗi nguyên tử của một chất bán dẫn nội tại có 4 electron hóa trị; nghĩa là, 4 electron quay quanh lớp ngoài cùng của mỗi nguyên tử. Lần lượt, mỗi electron này tạo thành liên kết với các electron liền kề.

Theo cách này, mỗi nguyên tử có 8 electron trong lớp bề mặt nhất của nó, tạo thành một liên kết vững chắc giữa các electron và các nguyên tử tạo nên mạng tinh thể.

Do cấu hình này, các electron không di chuyển dễ dàng trong cấu trúc. Do đó, trong điều kiện tiêu chuẩn, chất bán dẫn nội tại hoạt động như một chất cách điện.

Tuy nhiên, độ dẫn của chất bán dẫn nội tại tăng lên bất cứ khi nào nhiệt độ tăng, vì một số electron hóa trị hấp thụ năng lượng nhiệt và tách khỏi liên kết.

Những electron này trở thành các electron tự do và, nếu chúng được giải quyết đúng đắn bởi sự khác biệt về điện thế, chúng có thể góp phần lưu thông dòng điện trong mạng tinh thể.

Trong trường hợp này, các electron tự do nhảy đến dải dẫn và đi đến cực dương của nguồn tiềm năng (ví dụ như pin).

Sự chuyển động của các electron hóa trị tạo ra một khoảng trống trong cấu trúc phân tử, chuyển thành hiệu ứng tương tự như sẽ tạo ra một điện tích dương trong hệ thống, vì vậy chúng được coi là chất mang điện tích dương.

Sau đó, một hiệu ứng nghịch đảo xảy ra, vì một số electron có thể rơi ra khỏi dải dẫn cho đến khi lớp hóa trị giải phóng năng lượng trong quá trình, nhận được tên tái hợp.

Chất bán dẫn bên ngoài

Chúng phù hợp bằng cách bao gồm các tạp chất trong các dây dẫn nội tại; đó là, bằng cách kết hợp các yếu tố hóa trị ba hoặc ngũ giác.

Quá trình này được gọi là doping và nhằm mục đích tăng độ dẫn điện của vật liệu, để cải thiện tính chất vật lý và điện của những vật liệu này.

Bằng cách thay thế một nguyên tử bán dẫn nội tại cho một nguyên tử của một thành phần khác, có thể thu được hai loại chất bán dẫn ngoại lai, được trình bày chi tiết dưới đây.

Loại bán dẫn P

Trong trường hợp này, tạp chất là một nguyên tố bán dẫn hóa trị ba; nghĩa là, với ba (3) electron trong vỏ hóa trị của nó.

Các yếu tố xâm nhập trong cấu trúc được gọi là các yếu tố doping. Ví dụ về các yếu tố này cho chất bán dẫn loại P là boron (B), gallium (Ga) hoặc indium (In).

Không có electron hóa trị để tạo thành bốn liên kết cộng hóa trị của chất bán dẫn nội tại, chất bán dẫn loại P có một khoảng trống trong liên kết bị thiếu.

Điều này làm cho sự đi qua của các electron không thuộc mạng tinh thể thông qua lỗ mang điện tích dương này.

Do điện tích dương của khe hở của liên kết, loại dây dẫn này được gọi bằng chữ "P" và do đó, chúng được công nhận là chất nhận điện tử.

Dòng điện tử đi qua các khoảng trống của liên kết tạo ra một dòng điện chạy ngược chiều với dòng điện có nguồn gốc từ các electron tự do.

Chất bán dẫn loại N

Phần tử xâm nhập trong cấu hình được đưa ra bởi các phần tử ngũ giác; nghĩa là, những hạt có năm (5) electron trong dải hóa trị.

Trong trường hợp này, các tạp chất được tích hợp vào chất bán dẫn nội tại là các nguyên tố như phốt pho (P), antimon (Sb) hoặc asen (As).

Các dopant có thêm một electron hóa trị, do không có liên kết cộng hóa trị để tham gia, sẽ tự động di chuyển qua mạng tinh thể.

Ở đây, dòng điện lưu thông qua vật liệu nhờ sự dư thừa của các electron tự do được cung cấp bởi dopant. Do đó, chất bán dẫn loại N được coi là nhà tài trợ điện tử.

Tính năng

Chất bán dẫn được đặc trưng bởi chức năng kép, hiệu quả năng lượng, tính đa dạng của các ứng dụng và chi phí thấp. Các đặc điểm nổi bật nhất của chất bán dẫn được trình bày chi tiết dưới đây.

- Phản ứng của nó (chất dẫn hoặc chất cách điện) có thể thay đổi tùy theo độ nhạy của phần tử với ánh sáng, điện trường và từ trường của môi trường.

- Nếu chất bán dẫn chịu nhiệt độ thấp, các electron sẽ được giữ lại với nhau trong dải hóa trị và do đó, không có electron tự do nào phát sinh để lưu thông dòng điện. 

Ngược lại, nếu chất bán dẫn tiếp xúc với nhiệt độ cao, rung động nhiệt có thể ảnh hưởng đến cường độ liên kết cộng hóa trị của các nguyên tử nguyên tố, để lại các electron tự do cho sự dẫn điện..

- Độ dẫn của chất bán dẫn thay đổi tùy theo tỷ lệ tạp chất hoặc các phần tử pha tạp bên trong chất bán dẫn nội tại.

Ví dụ, nếu 10 nguyên tử boron được bao gồm trong một triệu nguyên tử silicon, tỷ lệ đó làm tăng độ dẫn của hợp chất một nghìn lần, so với độ dẫn của silicon nguyên chất..

- Độ dẫn của chất bán dẫn thay đổi trong khoảng từ 1 đến 10-6 S.cm-1, tùy thuộc vào loại nguyên tố hóa học được sử dụng.

- Các chất bán dẫn hợp chất hoặc ngoại sinh có thể có các tính chất quang và điện vượt trội hơn đáng kể so với các tính chất của chất bán dẫn nội tại. Một ví dụ về khía cạnh này là gallium arsenide (GaAs), chủ yếu được sử dụng trong tần số vô tuyến và các ứng dụng khác của quang điện tử..

Ứng dụng

Chất bán dẫn được sử dụng rộng rãi làm nguyên liệu thô trong việc lắp ráp các phần tử điện tử là một phần của cuộc sống hàng ngày của chúng ta, chẳng hạn như các mạch tích hợp.

Một trong những yếu tố chính của mạch tích hợp là bóng bán dẫn. Các thiết bị này thực hiện chức năng cung cấp tín hiệu đầu ra (dao động, khuếch đại hoặc chỉnh lưu) theo tín hiệu đầu vào cụ thể.

Ngoài ra, chất bán dẫn cũng là vật liệu chính của điốt được sử dụng trong các mạch điện tử để cho phép dòng điện đi qua chỉ theo một hướng.

Đối với việc thiết kế điốt, các khớp bán dẫn bên ngoài loại P và loại N được hình thành. Bằng cách xen kẽ các phần tử mang và các nhà tài trợ điện tử, một cơ chế cân bằng giữa cả hai vùng được kích hoạt..

Do đó, các electron và lỗ trống ở cả hai khu vực giao nhau và bổ sung cho nhau khi cần thiết. Điều này xảy ra theo hai cách:

- Sự chuyển điện tử từ vùng loại N sang vùng P. xảy ra. Vùng loại N thu được vùng tải chủ yếu là dương.

- Một lỗ thông qua các lỗ mang điện tử từ vùng loại P đến vùng loại N. được trình bày. Vùng loại P thu được điện tích âm chủ yếu.

Cuối cùng, một điện trường được tạo ra gây ra sự lưu thông của dòng điện chỉ theo một hướng; nghĩa là từ khu N đến khu P.

Ngoài ra, sử dụng kết hợp các chất bán dẫn bên trong và bên ngoài có thể tạo ra các thiết bị thực hiện các chức năng tương tự như ống chân không chứa khối lượng của nó hàng trăm lần.

Loại ứng dụng này áp dụng cho các mạch tích hợp, chẳng hạn như chip vi xử lý bao phủ một lượng năng lượng điện đáng kể.

Chất bán dẫn có mặt trong các thiết bị điện tử mà chúng ta sử dụng trong cuộc sống hàng ngày, chẳng hạn như các thiết bị dòng màu nâu như tivi, máy phát video, thiết bị âm thanh; máy tính và điện thoại di động.

Ví dụ

Chất bán dẫn được sử dụng phổ biến nhất trong ngành công nghiệp điện tử là silicon (Si). Vật liệu này có mặt trong các thiết bị tạo nên các mạch tích hợp là một phần của ngày này qua ngày khác.

Hợp kim Germanium và silicon (SiGe) được sử dụng trong các mạch tích hợp tốc độ cao cho radar và bộ khuếch đại của các dụng cụ điện, chẳng hạn như guitar điện.

Một ví dụ khác về chất bán dẫn là gallium arsenide (GaAs), được sử dụng rộng rãi trong các bộ khuếch đại tín hiệu, cụ thể là các tín hiệu có mức tăng cao và độ ồn thấp.

Tài liệu tham khảo

  1. Brian, M. (s.f.) Làm thế nào bán dẫn làm việc. Lấy từ: Electronics.how wareworks.com
  2. Landin, P. (2014). Chất bán dẫn bên trong và bên ngoài. Lấy từ: pelandintecno.blogspot.com
  3. Rouse, M. (s.f.). Chất bán dẫn. Lấy từ: whatis.techtarget.com
  4. Chất bán dẫn (1998). Encyclopædia Britannica, Inc. London, Vương quốc Anh. Lấy từ: britannica.com
  5. Chất bán dẫn là gì? (s.f.). © Tập đoàn công nghệ cao Hitachi. Lấy từ: hitachi-hightech.com
  6. Wikipedia, Bách khoa toàn thư miễn phí (2018). Chất bán dẫn. Lấy từ: en.wikipedia.org